DCC Servo decoder met Arduino voor dummy s

Transcriptie

1 DCC Servo decoder met Arduino voor dummy s Auteur: Nico Teering December 2015 Versie: 0.3

2 Inleiding Het gebruik van een Arduino microcomputer in de modelspoorbouw is bij velen wel bekend. Echter het daadwerkelijk zelf toepassen is voor de meesten een brug te ver. Het programmeren of het doen van eenvoudige aanpassingen in een programma wordt toch als een groot probleem gezien. Daardoor blijft de Arduino het domein van een zeer beperkte groep met wat meer technische kennis. Dat is jammer, want met de Arduino kun je heel je modelspoorbaan goedkoop automatiseren. Om de Arduino voor iedereen bereikbaar te maken heb ik daarom een programma gemaakt voor een DCC servo decoder op basis van een Arduino. Met dit programma is het niet meer nodig om zelf nog maar één letter Arduino-code te schrijven. Net als bij iedere andere servo decoder moet deze nog wel geconfigureerd worden. Dit configureren wordt meestal ten onrechte programmeren genoemd. Om spraakverwarring te voorkomen gebruik ik de term programmeren voor het schrijven van de Arduino-code en de term configureren voor het uitvoeren van het programma. Bij dit configureren worden de servo s ingesteld. Het programma werkt in twee verschillende toestanden. In de configureerstand kunnen de servo s worden ingeregeld middels één-letter commando s vanaf het toetsenbord. Hierbij communiceert de Arduino decoder via een USB-kabel met de computer. Hier zijn dus geen DCC signalen voor nodig. Middels een specifiek commando ( E ) wordt overgegaan naar de bedrijfstoestand. In de bedrijfstoestand worden de servo s aangestuurd met het DCC signaal. Er is dan geen USB-kabel meer nodig. Door het sturen van een specifiek, zelf te bepalen, DCC adres (default adres 1000) wordt weer overgeschakeld naar de configureerstand. Zie G -commando verderop in deze handleiding. Waarom een Arduino? De belangrijkste reden is de prijs. Reken even mee: Een (kloon)arduino kost maximaal 3,00 zonder USB kabel. Een servo (SG92R) kost ongeveer 2,30. Twee relais inclusief aansturing middels optocoupler kosten ongeveer 1,50. Dupont aansluitkabel voor 1,00. Extra losse componenten voor het verwerken van het DCC signaal kosten 2,00. Voor 9 wissels met puntstukpolarisatie kost dat: 3,00 + 9x 2,30 + 5x 1,50 + 1,00 + 2,00 = 34,20. Dat is dus ongeveer 3,80 per wissel inclusief servo s en relais. Alle software is gratis. Daar kan geen één commercieel product tegenop. Voor 12 wissels zonder puntstukpolarisatie kost het 2,80 per wissel inclusief servo. Een andere reden is het gemak waarmee alles geconfigureerd kan worden. Dat gebeurt geheel interactief en er is geen DCC-centrale voor nodig. De installatie van alle software is zeer gebruiksvriendelijk. Hierbij wordt alle vereiste software in één keer geïnstalleerd. Ook het uploaden van het decoder programma naar de Arduino gaat bijna geheel automatisch. Zie hiervoor de installatiehandleiding. 2

3 Mogelijkheden De Arduino servo decoder kent de volgende mogelijkheden: Besturen van maximaal 12 servo s t.b.v. wisselaansturing zonder puntstukpolarisatie of maximaal 9 servo s met puntstukpolarisatie. De puntstukpolarisatie wordt gerealiseerd middels een extern relais. Interactief, via beeldscherm en toetsenbord dus, configureren van de servo s. Dat is geheel onafhankelijk van de gebruikte DCC centrale. Hierbij is de Arduino software NIET nodig. Van iedere servo apart kunnen de begin- en eindhoek op de graad nauwkeurig worden ingesteld. Een random DCC adres (1-2048) toekennen aan iedere servo. Dus niet noodzakelijkerwijs opeenvolgende adressen. Iedere servo (max. 9) kan worden gekoppeld met een relais voor puntstukpolarisatie. Bij het verdraaien van de servo zal, halverwege de verdraaiing, dit relais worden omgezet. Een test optie. Hierbij gaan alle servo s een aantal malen heen-en weer gaan. Vastleggen van inversie. Hiermee kan worden ingesteld of een wissel bij bv een verdraaiing naar de kleinste hoek rechtdoor of afbuigend moet worden gezet. Dit is nodig omdat de servo op meerdere manieren gemonteerd kan worden. Een documentatie optie waarmee alle instellingen worden getoond. Het toekennen van een administratief nummer aan iedere servo. Een reset optie waarbij alle instellingen uit het geheugen van de Arduino verwijderd worden. Instelbare snelheid van de servo arm (5-50 msec. per graad). Deze is voor alle aangesloten servo s gelijk Vastleggen van het DCC adres waarmee de decoder naar de configuratie toestand gaat. (Default 1000) Een help optie toont alle commando s voor het configureren. Een logging optie waarmee alle configuratiesessies worden bewaard. Onafhankelijk van gebruikte busstructuur (LocoNet, S88 e.d) De aansturing is echter specifiek voor DCC. Wat heb je nodig? De hardware Op de eerste plaats uiteraard een Arduino UNO of een Arduino Pro Mini. Een Arduino is een microcomputer met een heleboel aansluitingen. Deze worden pinnen genoemd. Aansluitpinnen Deze zijn genummerd op de printplaat. Voor de servo decoder gebruiken we maximaal 18 van deze pinnen. Ze worden aangesloten middels Dupont kabels. (figuur 2) Daarbij worden de kabelpinnen in de zwarte connectoren gestoken. De kabels zijn verkrijgbaar in diverse lengtes en aansluitcombinaties (M-M, M-V, V-V) USB aansluiting 9-12 volt voeding Figuur 1 Figuur 2 Linksonder op figuur 1 zie je de USB aansluiting. De Arduino wordt van stroom voorzien vanuit deze USB kabel. De USB aansluiting is nodig om het programma naar de Arduino te kopiëren. Ook is hij nodig om te communiceren met de computer bij het configureren. 3

4 Als er geen USB kabel is aangesloten moet de voeding komen via de andere zwarte aansluitbus (power jack). Hierop kan een spanningsbron van 9-12 Volt gelijkspanning op worden aangesloten. De Arduino maakt hier zelf een gestabiliseerde 5 volt spanning van. Beide aansluitingen kunnen tegelijk worden gebruikt. Voor de servo s gebruiken we alleen de pinnen 3 t/m 12, A0(=14) en A1(=15). Voor de relais gebruiken we de pinnen 0,1,3 t/m 12 en A0 t/m A5 (=14 t/m 19). Op een pin wordt of een servo of een relais aangesloten. Op de Arduino zien we ook een aantal pinnen met de tekst Power. Hier vinden we twee 5 volt pinnen en twee GND aansluitingen en een Vin pin. In plaats van de power jack kan ook de Vin-pin worden gebruikt om de Arduino van voedsel te voorzien. DCC circuit Als tweede is er een klein beetje elektronica nodig om het DCC signaal geschikt te maken voor de Arduino. Het IC 6N137 is een snelle optocoupler en is o.a. hier te koop. De benodigde 5 volt kan direct op een 5V pin van de Arduino worden aangesloten. Pin 6 van het IC word verbonden met pin 2 van de Figuur 3 Arduino. De 10k weerstand aan pin 6 kan achterwege blijven omdat de Arduino zelf al een interne pull-up weerstand heeft. Deze extra componenten moet je zelf op een montagebordje solderen. Relais Voor de puntstukpolarisatie kan in principe ieder relais worden gebruikt. Daartoe kan een Arduino-pin op de gebruikelijke wijze middels een transistor een relais schakelen. Goedkoper en makkelijker zijn de kant en klare relais modules (figuur 4). Deze zijn zeer geschikt om direct vanuit een Arduino te worden aangestuurd. Ze bevatten twee onafhankelijke relais circuits met een indicatie led en een optocoupler en zijn ook verkrijgbaar met 4, 6 of 8 relais. Ze kunnen direct gevoed worden vanuit de Arduino maar het is sterk aan te raden hiervoor een externe 5V voeding te gebruiken. Figuur 4 Software Uiteraard is er ook software nodig: de Arduino IDE (Integrated Development Environment). Deze wordt geïnstalleerd op je computer. Het is een soort tekstverwerker om programma s voor de Arduino mee te maken. Ook moet hiermee het programma naar de Arduino worden gestuurd. Deze Arduino IDE hoeft echter niet gebruikt te worden, maar is wel nodig voor het uploaden van het decoder programma naar de Arduino. Dit uploaden gebeurt door een script dat gestart wordt met een snelkoppeling op het bureaublad. Voor de communicatie met de Arduino wordt gebruikt gemaakt van een aparte terminal emulator. (Putty.exe) Ook deze wordt gestart middels een snelkoppeling. Hiermee kan output van het programma dat loopt op de Arduino getoond worden en tevens kan er invoer van toetsenbord naar de decoder worden gestuurd. Het belangrijkste stukje software is de Arduino-code die in de Arduino geladen moet worden. Dat gebeurt bijna automatisch bij de installatie van de software. Zie hiervoor de installatiehandleiding. 4

5 Aansluitschema Figuur 5 5

6 Het configureren Als alle software correct is geïnstalleerd en de Arduino is aangesloten kan het configureren beginnen. Klik daartoe op de nieuwe snelkoppeling Configure Servo decoder. Alleen als je dit voor de allereerste keer doet met de eerste decoder zullen eerst de USB-drivers worden geladen gevolgd door het uploaden van het decoder programma naar de Arduino. Daarna zal altijd direct de communicatie met het decoder programma worden gestart. (Zie ook de installatiehandleiding) LET OP: Sluit iedere numerieke ingave af met <enter>. Alle één-letter commando s hoeven NIET met <enter> te worden afgesloten. Voor de meeste ingaves geldt dat bij alleen <enter> de bestaande waarde niet veranderd. In de configuratietoestand zal er een LED knipperen op de Arduino. In de bedrijfstoestand is deze LED uit. Zorg dat voor het numerieke toetsenbord de NumLock aan staat. Je mag zowel hoofd als kleine letters ingeven. Gebruik alleen de Backspace toets om te corrigeren. Er kan nu een commando worden ingegeven. De commando s Er zijn twee soorten commando s. Pin-gebonden commando s en algemene commando s Door ingave van een? (vraagteken) wordt een overzicht gegeven van de beschikbare commando s. De pin specifieke commando s worden alleen getoond als er een pin geselecteerd is. Ieder commando bestaat uit één enkele letter en hoeft niet met <enter> te worden afgesloten. De letters zijn gebaseerd op de Engelse omschrijving van de functie van ieder commando. Een pin commando kan alleen gegeven worden als er een pin geselecteerd is. Een algemeen commando kan altijd gegeven worden. 6

7 Pin gebonden commando s P-Commando (Pin) Door ingave van P kan er een pinnummer gekozen worden. De servo die is aangesloten op de betreffende pin kan dan worden ingesteld. Servo s kunnen alleen worden aangesloten op de genoemde pinnummers. Hierbij geldt dat de pinnen op het Arduino printje genummerd met A0 t/m A5 de pinnummers 14 t/m 19 zijn. Als de gekozen pin nog niet eerder geconfigureerd is zal deze standaard op hoeken van 75 (Low) en 105 (High) graden worden ingesteld. Vervolgens kan de servo aan de geselecteerde pin worden ingeregeld. Na de pinselectie wordt de servo standaard ingesteld op kleinste hoek (Low). Geef de servo nu eerst een DCC adres. Daartoe wordt je zelfs verplicht als er nog geen adres was ingegeven. Door ingave van alleen <enter> op de pinnummer vraag wordt teruggegaan naar specify action. Door ingave van alleen <enter> op de pin-action vraag wordt teruggegaan naar de pinnummer vraag. A-Commando (Address) Met het A-commando wordt het DCC adres van de servo ingesteld. Dat mag niet gelijk zijn aan het adres waarmee de configureertoestand gestart. Ook krijg je een waarschuwing als het adres al is toegewezen aan een andere servo. Door ingave van adres 0 (nul) wordt een eerder ingestelde pin weer vrijgegeven en wordt de pin gezien als niet ingesteld. Door de commando s + en - kan nu de hoek steeds 1 graad worden verdraaid. Doe dit tot de wisseltong in de uiterste stand ligt. - (min) Commando Het - commando verlaagt de hoek één graad. De High hoek moet minimaal 5 graden groter zijn dan de Low hoek. + (plus) Commando Het + commando verhoogt de hoek één graad. De Low hoek moet minimaal 5 graden kleiner zijn dan de High hoek. 9-Commando Met het 9-commando wordt de servo op 90 graden ingesteld. Dit is handig om de draaiarm van de servo op de juiste plaats op de servo te zetten. 7

8 C-Commando (Change) Met het C-commando wordt gewisseld tussen beide hoeken. Nu kan de andere hoek worden afgesteld middels de plus en min commando s. Als beide standen zijn afgesteld kun je door een paar keer het C-commando in te geven de servo testen. N-Commando (Number) In je baanontwerp heb je de wissels vast wel een nummer gegeven. Dat administratieve nummer kun je met het N-commando ook aan de pin toekennen. Het heeft geen enkele technische betekenis en ingave is ook niet verplicht. Je krijgt een waarschuwing als het nummer al aan een andere servo is toegewezen. 8

9 F-Commando (Frog point = puntstuk) Met het F-commando kun je een pinnummer opgeven waarop je een relais wilt aansluiten voor puntstuk polarisatie (frog point). Er moet wel eerst een DCC adres voor de servo zijn ingesteld! Als dat nog niet gedaan was, wordt daar eerst direct om gevraagd. Alleen de genoemde pinnummers kun je als frogpin opgeven. Hierbij geldt dat de pinnen genummerd met A0 t/m A5 de pinnummers 14 t/m 19 zijn. Als een pinnummer al een frogpin is voor een andere servo of als er al een servo voor is ingesteld krijg je een melding. Door ingave van 99 verwijder je weer een frogpin bij een servo. Bij het omzetten van de wissel zal het relais precies halverwege de verdraaiing van de servo ook omgezet worden. Daarbij geldt dat bij verdraaiing naar de grootste hoek het relais bekrachtigd wordt en bij verdraaiing naar de kleinste hoek zal afvallen. Als dat verkeerd om is dan moet je de aansluiting op het relais omwisselen. I-Commando (Invert) Het ligt er maar net aan hoe de servo onder de baan is gemonteerd of de wissel bij bv. een verdraaiing naar de kleinste hoek in de rechtdoor- dan wel de in afbuigstand wordt gezet. Je wilt echter wel dat de wisselstand overeenkomt met de stand op het DCC Command station. Als blijkt dat dat niet hetzelfde is kun je met het I-commando het relais net andersom laten werken. Je kunt alleen Y of N ingeven waarbij N de standaard is. Als de servo naar wens is ingesteld kun je nu met het P-commando een andere pin kiezen om te configureren. De instellingen van de vorige pin worden daarbij opgeslagen in het geheugen van de Arduino. 9

10 Algemene commando s T-Commando (Test) Als je alle servo s hebt ingesteld kun je met het T-commando alles testen. Alle servo s gaan dan na elkaar een paar keer heen en weer. Een aangesloten relais zal ook opkomen en afvallen. M-Commando (Move speed) Met het M-commando kun je de draaisnelheid van alle servo s instellen. Deze is instelbaar tussen 5 en 50 milliseconden per graad. Daarbij is 5 ms. heel snel en 50 ms. heel langzaam. De default instelling is 25 ms. G-Commando (Goto configure) Met het G-commando kun je het DCC adres aanpassen waarmee je kunt wisselen van de bedrijfstoestand naar de configuratietoestand. Het default adres is Geef iedere decoder z n eigen DCC-adres om van de bedrijfstoestand naar de configuratietoestand te gaan. Als je dat niet doet gaan ze allemaal tegelijk naar de configuratietoestand! Je moet dan alle andere decoders even aan de USB kabel hangen om ze weer in de bedrijfstoestand te krijgen. 10

11 D-Commando (document) Het D-commando geeft een overzicht van hoe alle pinnen zijn ingesteld. Maak hiervan een schermafdruk en bewaar deze op je computer en/of druk het af op je printer. Je weet dan altijd hoe de servo decoder is ingesteld. R-Commando (Reset) Met het R-commando worden alle instellingen uit het geheugen van de Arduino gewist. Er wordt tweemaal om bevestiging gevraagd. Na een reset wordt het scherm leeg gemaakt. E-Commando (Exit) Met het E-commando zal de bedrijfstoestand worden gestart. De USB kabel is nu niet meer nodig. Hiervoor wordt nog wel eerst een bevestiging gevraagd. Na ingave van Y wordt het scherm leeg gemaakt en start de bedrijfstoestand. Je kunt nu met je DCC centrale de wissels omzetten. 11

12 Merk op dat de knipperende LED op de Arduino nu uit is. Hieraan kun je zien dat de Arduino nu in de bedrijfstoestand staat. Je kunt nu de USB kabel verwijderen en het configuratiescherm sluiten. In de bedrijfstoestand zal de decoder iedere activering van een servo terug melden. Dat is handig om de bedrijfstoestand te testen. Normaal gesproken heb je de USB kabel er niet meer aanhangen en zie je deze berichten dus niet. Afsluiten Het configuratiescherm kan te allen tijde worden gesloten. Hiervoor is geen apart commando beschikbaar. Gebruik dus Alt-F4 of klik op het bekende kruisje rechtsboven in het window. Logging De gehele configuratie dialoog wordt gelogd in het bestand: Mijn Documenten/Arduino/servodecoder_<datum>_<tijd>.log. Daarbij geldt dat <datum>_<tijd> het tijdstip is van afsluiten. Overige zaken Configureren volgende decoders Na de installatie van de software zal het decoder programma automatisch op de Arduino worden geladen bij het voor de eerste keer opstarten van Configure servo decoder. Voor de tweede en volgende decoders is er een andere werkwijze. Start de daartoe de snelkoppeling Upload Servo decoder. Deze vind je in het Windows startmenu in de map Servodecoder Nu zal het decoder programma op de Arduino worden geladen. Als dat klaar is zal automatisch weer het configuratiescherm starten. Problemen? Als het uploaden van het programma naar de Arduino niet goed gaat kun je de volgende zaken controleren. Controleer of het juiste type Arduino is geselecteerd: Start daarvoor de snelkoppeling Arduino IDE. Controleer in Windows (Configuratie scherm Apparaat beheer) de juiste COM-poort. De poort heet USB-SERIAL CH340 en gebruikt hier COM7. Als je al andere drivers hebt die goed werken is dat uiteraard ook goed. 12

13 Controleer nu ook in de Arduino IDE of de juiste COM-poort gebruik wordt. Zorg ook dat het configuratiescherm gesloten is. Er kan maar één programma tegelijk gebruik maken van de COM-poort. Arduino Pro Mini Een alternatief voor het gebruik van de Arduino Uno is de Arduino Pro Mini. Deze is 100% compatibel met de Uno en heeft dus dezelfde specificaties v.w.b. intern geheugen en pinaansluitingen. Uiteraard zijn er verschillen: De Pro Mini is veel kleiner Er zit geen USB aansluiting op. Daarom is er een speciale USB-TTL omzetter nodig om de programma s op een Pro Mini te laden. Hier heb je er uiteraard maar één van nodig. Je moet eerst zelf de (meegeleverde) aansluitpinnen op de Pro Mini solderen. Dat zijn male connectors. Uiteraard kun je er ook female connectors opzetten. Omdat de upload scripts alleen geschikt zijn voor de UNO moet je zelf het decoder programma uploaden vanuit de Arduino IDE. Upload knop 13

14 Terug naar configuratie Normaal gesproken kun je door het sturen van het specifieke DCC adres, zoals opgegeven tijdens de configuratie terug gaan naar de configuratietoestand. Als dit om de een of andere reden niet werkt kun je een speciaal script uitvoeren dat de Arduino weer terugzet in de configuratiestand. Je vind dit script in het Windows startmenu Servodecoder Set to configure. Instellingen configuratie scherm Je kunt de weergave van het configuratiescherm als volg aanpassen. 1. Klik op de snelkoppeling Settings for configuration. Deze vind je in het Windows startmenu in de map Servodecoder Het volgende scherm verschijnt: 2. Klik op Arduino en dan op Load. 3. Bij Session Logging kun je de log-opties aanpassen. Als je de filenaam aanpast kunnen de configuratiesessies niet meer bewaard blijven. 4. Bij Window Appearance/Behaviour/Colours kun je ook het uiterlijk aanpassen. 5. Verander niets aan alle andere instellingen! 6. Selecteer Session en klik op Save om de instellingen weer op te slaan. 7. Klik op Open om het configuratiescherm weer te openen. 14